Почему (не) поставить резистор на затворе FET?

15

Размышляя о способах защиты МОП-транзистора, одной из идей было поставить чрезвычайно высокое сопротивление перед воротами: идея заключалась в том, что ток никогда не должен протекать через ворота, поэтому, если какой-то переходный процесс угрожает воротам, сопротивление будет ограничивать это. ток, возможно, предотвращающий сгорание FET.

Фактически, исследуя защиту MOSFET, я наткнулся на этот интегрально защищенный продукт, который включает в свои функции «внутреннее последовательное сопротивление затвора», как показано на его диаграмме:

Защищенная схема MOSFET

Если эта идея верна, то возникает вопрос: почему не всегда ставить резистор мегаом перед входом любого полевого транзистора?

Или есть практическая причина, по которой резистор затвора обычно не защищает полевой транзистор? Или это может иметь какие-либо негативные последствия для производительности?

feetwet
источник
Если что-то сломалось, кто заботится о FET больше - кругооборот период.
Энди ака
5
Обратите внимание, что RG, который вы показываете, бесполезен в качестве защитного механизма, если не присутствует также вторая пара (стабилитронов) . Именно напряжение разрушает изоляцию затвора, а не ток.
Воутер ван Оойен
1
@Andyaka - Я свободно использовал «разбивку», чтобы включить переходные события, которые в идеале не должны происходить, вероятно, не будут отображаться в симуляции, но которые действительно проявляются на практике. Например, дешевые источники питания, которые не обеспечивают очень плавное питание или даже неадекватные меры противодействия электростатическим разрядам. Если наиболее чувствительный элемент схемы может быть подключен для выживания при кратковременных пробоях, то часто мы хотим просто продолжать работать, а не ограничивать область применения, тестировать нагрузку и перестраивать схему до совершенства.
футсвот

Ответы:

28

Источником затвора является конденсатор. Так что с этим высоким резистором, зарядка займет очень много времени. МОП-транзистор включается только тогда, когда конденсатор затвора заряжается выше некоторого уровня (пороговое напряжение), поэтому переключение будет очень медленным.

Причина, по которой драйверы затвора часто используются, заключается в том, что они способны быстро заряжать конденсатор затвора (часто используя ток выше 1 А), поэтому время переключения можно минимизировать.

Вы можете прочитать больше здесь .

Дарко
источник
Да, точно. Подъемные / понижающие резисторы для полевых транзисторов обычно находятся на нижней стороне, например, <1 кОм.
Ф. Блоггс
1
Это также означает, что вы будете проводить больше времени с напряжением на затворе в «ничейной зоне» между включением и выключением. В зависимости от схемы, это может вызвать проблемы.
Дэвид Шварц
1
Да, скорее всего, MOSFET сильно нагреется, если вы проведете много времени в этой зоне.
Дарко
19

Большие резисторы на затворе замедляют переключение полевого МОП-транзистора. Это нормально, когда вы используете МОП-транзистор в качестве переключателя (ВКЛ-ВЫКЛ), но когда вы управляете двигателем с частотой 20 кГц и выше, переключение должно быть быстрым, чтобы минимизировать тепловые потери (более быстрое переключение означает меньшую потерю мощности). Обратите внимание, что резистор, который вы видите у ворот, предназначен не только для защиты MOSFET ... он также защищает все, что управляет MOSFET (например, микроконтроллер). Избыточный ток может вырваться и повредить вывод ввода-вывода.

Как сказал Дарко, MOSFET - это конденсатор, если смотреть на него со стороны затвора. Заряд, необходимый для полной зарядки этого конденсатора, называется зарядом затвора (вы можете найти его в техническом описании). После зарядки сопротивление MOSFET (RDS) уменьшается до минимума. Таким образом, вы можете понять, что попытка управлять этим выводом без последовательного сопротивления означает, что драйвер будет втягивать / получать большой ток (такой же, как пусковой ток при зарядке конденсатора).

FHLB
источник
«Он также защищает того, кто управляет Mosfet», - я бы сказал, что на самом деле он защищает стабилитроны от перенапряжения, и, возможно, все, что находится на стоке.
JimmyB
В техническом описании этот резистор рассматривается как особенность: «Внутреннее последовательное сопротивление затвора». Этот Mosfet предназначен для работы с низкими напряжениями с Rds ~ 150 мОм при 4 В. Эта функция означает, что пользователь может управлять этим mosfet напрямую из слаботочного драйвера, такого как буфер вывода выводов микроконтроллера. Вы абсолютно правы, что он также защищает стабилитрон и ограничивает ток в стоке при зажиме.
fhlb
Ты прав. R также защищает вывод IO от перенапряжения на стоке!
JimmyB
9

Ω

Это действительно замедляет переключение при высоком заряде затвора, например, минимальное время выключения 1,6 мс при нагрузке 15 В 1,5 А. Асимметричное время переключения подразумевает, что они могут иметь диод на резисторе для ускорения времени включения. При зажиме диод будет смещен в обратном направлении, как описано ниже.

Резистор большого значения вряд ли защитит затвор в любом случае, это постоянный пробой и повреждение изоляции, которое не похоже на пробой диода. Вот почему стабилитроны ESD находятся на проводе затвора, чтобы предотвратить чрезмерное напряжение затвор-источник.

Итак, зачем вообще вставлять туда резистор, спросите вы? Ну, это так, что другие (перенапряжения) стабилитроны могут делать свое дело. Представьте себе наихудший случай, и мы закорачиваем вывод затвора на источник, а затем садистически увеличиваем напряжение на стоке (через некоторую внешнюю нагрузку), ожидая пробоя DS. Когда ток через стабилитроны превышает несколько мА, полевой МОП-транзистор включается и подавляет перенапряжение.

Силовые МОП-транзисторы, как правило, не очень чувствительны к электростатическому разряду из-за большой емкости затвора. Ворота на самом деле выходят из строя, например, на 50 В - 100 В, поэтому для их достижения требуется много энергии. Крошечные МОП-транзисторы, такие как РЧ-МОП-транзисторы, очень чувствительны к ОУР по сравнению. Тем не менее, типичной модели человеческого тела ESD достаточно, чтобы повредить даже ворота MOSFET средней мощности.

Спехро Пефхани
источник
~ 9 Ом - это, вероятно, сопротивление перехода от металла к слою нитрида вольфрама затвора.
б Дегнан
@bdegnan Похоже, это значение внешнего резистора с тем же именем, что и Rg во внутренней схеме.
Спехро Пефхани
7

Есть еще одна причина, чтобы поместить последовательный резистор перед затвором MOSFET - чтобы сознательно замедлить переключение. Это помогает минимизировать скорости нарастания в цепи и, следовательно, может снизить кондуктивные и излучаемые излучения, что может быть полезным методом ЭМС.

Однако, чтобы было ясно, что это совсем не то, для чего показан показанный резистор - как уже отмечали другие, то есть для того, чтобы держать зажимные стабилитроны в безопасной рабочей области. Кроме того, обратите внимание, что замедление переключающих фронтов оказывает отрицательное влияние (увеличение тепловых потерь на переключающих фронтах, равное единице) на производительность схемы - как таковое любое использование этого метода является компромиссом.

stefandz
источник
6

Последовательный резистор затвора можно использовать, если стабилитрон также используется для ограничения напряжения источника затвора до значения, меньшего значения Vgs МОП-транзистора. Типичное значение составляет 20 В, и можно использовать стабилитрон 10 В или 15 В.

Для быстрого включения / выключения маленький конденсатор можно разместить параллельно с резистором. Предполагая, что конденсатор изначально разряжен. При включении FET ток будет проходить через конденсатор и будет происходить практически мгновенное разделение заряда между конденсатором и входной емкостью FET. FET включится мгновенно. Ваша скорость включения будет почти такой же, как и в случае короткого замыкания конденсатора на краю волны возбуждения затвора. Тот же эффект работает при выключении.

Разделение заряда затвора работает следующим образом. Предполагая, что напряжение затвора и напряжение на конденсаторе изначально равны 0, затем при включении ...

V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive - это напряжение возбуждения затвора.
Qg - суммарный заряд затвора, указанный в спецификации FET для данного Vgs = V_drive.
C_drive - конденсатор, параллельный резистору привода.
Vgs - напряжение источника затвора FET.
V_c_drive - это напряжение на C_drive после переключателя.

Например, если вы управляете полевым транзистором через конденсатор 10 нФ с сигналом возбуждения 10 В, а суммарный заряд затвора составляет 1 нК при Vgs = 10 В, тогда конденсатор будет заряжаться до ...

V_c_drive = 1 нК / 10 нФ = 0,1 В
Vgs = 10 В - 0,1 V = 9,9 В

Обратите внимание, что это, конечно, приближение, поскольку Vgs не 10 В, поэтому Qg на самом деле немного меньше, чем предполагалось.

Эффект резистора с параллельным затвором заключается в том, что напряжение на конденсаторе всегда стремится к нулю. Таким образом, после переключения напряжение на конденсаторе будет медленно падать с 0,1 В до 0 В со скоростью постоянной времени R * C. В цикле выключения заряд делится по-другому, поэтому конечное напряжение конденсатора будет равно -0,1 В при измерении с той же ориентацией, которая использовалась при включении.

Обратите внимание, что вам не нужно ждать разрядки конденсатора, прежде чем выключать FET. Если бы вы сразу включили FET, а затем сразу же выключили, разделение заряда при выключении точно отменило бы то, что произошло во время включения, и напряжение конденсатора было бы почти 0 в конце цикла.

Значение конденсатора должно быть достаточно большим, чтобы общий заряд затвора полевого транзистора при желаемом напряжении возбуждения давал только небольшое напряжение конденсатора, но достаточно мал, чтобы не пропускать много переходной энергии. Обычно вы должны иметь C_drive> Qg / 1V.

Величина сопротивления, которое вы можете использовать, зависит от наихудшего тока утечки на затворе в спецификации MOSFET, а также от утечки вашего стабилитрона. Важным моментом является то, что общее время утечки последовательного сопротивления должно быть намного меньше, чем пороговое напряжение MOSFET по температуре.

Например, если ваше пороговое напряжение FET равно 3 В, тогда R * leakage_current должно быть намного меньше, чем 3 В. Смысл состоит в том, чтобы предотвратить утечку из-за перегрузки резистора и создания смещения постоянного тока, которое удерживает FET в неправильное время.

Большинство полевых транзисторов в своей спецификации указывают утечку затвора не более 1 мкА. Большинство стабилитронов протекает на несколько мкА, и утечка увеличивается экспоненциально с температурой. Таким образом, на стабилитроны приходится большая часть утечек через затвор. Так что 100К или 10К, вероятно, более уместны, чем 1МЭГ, на мой взгляд.

user4574
источник
Другими словами: да , резистор может защитить затвор от переходных процессов, и он может даже сделать это без ущерба для производительности полевого транзистора, если конденсатор подключен параллельно затвору? Я склонен согласиться с этим , как в ответ , если вы можете уточнить свой предпоследний пункт - возможно , с подробным примером. В настоящее время я не слежу за отношением (сопротивление тока утечки) к (Vth против температуры).
футсвот
Нет нет нет. Утечка в фетровом затворе НЕ будет иметь значения uA, если только это не монофитный фет или нет встроенной защиты стабилитрона (что есть у очень многих маленьких FET). Без стабилитрона у садового сорта FET не будет утечек. Но хороший ответ, кроме этой одной детали.
Mkeith
1
Даже с конденсатором, производительность Mosfet будет зависеть. Но это может быть хорошо, если требуется умеренная скорость переключения. Постоянная времени будет определяться резистором и добавленным конденсатором. Если вы переключите достаточно быстро, конденсатор будет заряжаться (потому что он разряжается медленно только через резистор высокого значения) и будет ограничивать напряжение на затворе. Если вы переключитесь достаточно медленно, он успеет разрядиться, и его влияние будет незначительным.
Дарко
@Darko. Я не согласен с этим. Конденсатор соответствующего размера будет иметь напряжение около 0 В как до, так и после фронта включения или выключения. Цель конденсатора состояла в том, чтобы обойти резистор, делая его несоответствующим во время краев включения / выключения. Таким образом, FET включится с нормальной скоростью, как если бы конденсатор был коротким. Резистор, параллельный конденсатору, всегда стремится поднять напряжение конденсатора до 0 В, поэтому он никогда не зарядится до какого-либо значительного значения.
user4574
@ футсвот Для пояснения, конденсатор подключен параллельно с резистором Rg возбуждения затвора (не параллельно с самими клеммами затвора / истока). В случае устройства с внутренним резистором, такого как NID9N05CL, невозможно добавить конденсатор параллельно с Rg, так как одна сторона скрыта внутри устройства, но при добавлении внешнего Rg можно использовать конденсатор.
user4574